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Beschreibung

Beschreibung
English: Kalman filter comparted to generalized least square estimation
Deutsch: Kalman-filter im Vergleich mit einer Schätzung mit generalisierten kleinsten Quadraten
Datum
Quelle Eigenes Werk
Urheber Physikinger
SVG‑Erstellung
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Der SVG-Code ist valide.
 
Dieser Plot wurde mit Matplotlib erstellt.
Quelltext
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Python code

# This source code is public domain
# Autor: Christian Schirm

import numpy
import matplotlib.pyplot as plt

# Generate polynomial
nSteps = 121
coeff = [-50, 70, -16, 1]
sigmaNoise = 50
sigmaPrior = 100
xMax = 10

ts = numpy.linspace(0,xMax,nSteps)
deltaT = ts[1] - ts[0]
nPoly = len(coeff)
A = numpy.array([ts**i for i in range(nPoly)])
y_polynomial = coeff @ A

# Noise
numpy.random.seed(1)
noise = sigmaNoise*numpy.random.randn(nSteps)

# Add noise to the signal
y = y_polynomial + noise

# Prepare Kalman estimation
D = numpy.zeros((nPoly,nPoly))
D[(numpy.arange(nPoly-1), numpy.arange(nPoly-1)+1)] = 1
Dt = D*deltaT
F = numpy.identity(nPoly) + Dt + Dt @ Dt/2 + Dt @ Dt @ Dt/6
H = numpy.zeros((1,nPoly))
H[0,0] = 1

# Initialize Kalman estimation
x = numpy.zeros(nPoly)
P = sigmaPrior**2 * numpy.identity(nPoly)

# Start Kalman iteration
yEst = []
ySigma = []
for i in range(len(y)):
    # Propagate
    if i > 0:
        x = F @ x
        P = F @ P @ F.T

    # Estimate
    K = P @ H.T @ numpy.linalg.inv(H @ P @ H.T + sigmaNoise**2)
    x = x + K @ (y[i] - H @ x)
    P = (numpy.identity(nPoly) - K @ H) @ P
    ySigma.append(P[0,0])
    yEst.append(x[0])

ySigma = numpy.sqrt(ySigma)

# Select prior state for GLS estimation

p = numpy.ones(nPoly)/sigmaPrior
p[2] *= 2
p[3] *= 6

# Iterative GLS estimation

yLSI = []
for i in range(nSteps):
    nm = min(nPoly, i+1)
    RN = numpy.zeros((i+1,i+1))
    RN[numpy.diag_indices(RN.shape[0])] = 1/sigmaNoise**2
    RI = numpy.zeros((nm,nm))
    RI[numpy.diag_indices(RI.shape[0])] = p[:nm]**2
    Ai = A[:nm,:i+1]
    cLS = numpy.linalg.inv(Ai @ RN @ Ai.T + RI) @ Ai @ RN @ y[:i+1]
    yLSI.append(cLS @ Ai[:,i])


# Plot
plt.figure(figsize=(6,3.2))
#plt.fill_between(ts,y_polynomial-ySigma, y_polynomial+ySigma, color='0.2', alpha=0.17, label='Konfidenzintervall', lw=0)
#plt.plot(ts,y,'.-', color='C1', markersize=4, linewidth=0.4, alpha=0.6, label='Polynom + Rauschen')
plt.plot(ts,y_polynomial,'C2', label='Polynom 3. Grades')
plt.plot(ts,yEst,'c-', color='#2f97ff',  label='Kalman-Schätzung')
# please not that yLS is not defined in this code! the code will therefore result in an error, the following line should be commented out or the calculation of yLS must be included. 
plt.plot(ts,yLS,'k-', alpha=0.25, label='Kleinste-Quadrate-Schätzung (ohne a-priori)')
plt.plot(ts,yLSI,'C3--' ,label='Kleinste-Quadrate-Schätzung (mit a-priori)')
plt.xlabel('Zeit')
plt.legend(loc=4)
plt.tight_layout()
plt.savefig('Kalman_Polynom_vs_GLS.svg')
plt.savefig('Kalman_Polynom_vs_GLS.png')
#plt.show()

Lizenz

Ich, der Urheber dieses Werkes, veröffentliche es unter der folgenden Lizenz:
Creative Commons CC-Zero Diese Datei wird unter der Creative-Commons-Lizenz „CC0 1.0 Verzicht auf das Copyright“ zur Verfügung gestellt.
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Kurzbeschreibungen

Kalman-Filter Vergleich mit generalisierten kleinsten Quadraten

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